硬件学习笔记--006 超级电容基础知识介绍

1.超级电容简介

        所谓的超级电容指的是容量比较大的电容,一般都是F(法拉)级别的,主要用于掉电作为备用电源,短时间内提供电源,比如设备的停电上报或者更换电池时作为备用电源,保证设备不掉电,时钟不丢失等。

2.超级电容内部结构

铝壳   :将素子密封防止受污染及电解液蒸发。
导针   :为获得良好的传导性使用高纯铝,内部能量可以对外传输的桥梁。
电极   :多为活性炭材料,其多孔性的特点让具有相当高的比表面积( 在1000 m2/g 以上),制作的法拉电容比容量达到200F/g以上。其原料相对便宜,且来源容易取得,满足高电导率的特点,生产制备工艺成熟。因此是目前应用最为广泛的电极材料。

电解纸   :隔离正负极,吸附电解液,电解液通过电解纸离子通过隔膜形成迁移。

胶塞   :保持端子相互间及端子与外壳间之绝缘,为一弹性体,可借机械方式将端子确实压紧,隔绝作用,防止电解液漏出蒸发。

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3.超级电容工作原理-双电层原理

        超级电容容器主要由集流体、电极、电解质以及隔膜等几部分组成,其中隔膜的作用和电池中隔膜的作用相同,将两电极隔离开,防止电极间短路,允许离子通过。超级电容器储能的基本原理是通过电解质和电解液之间界面上电荷分离形成的双电层电容来贮存电能。

        双电层效应是正、负电荷分离,分别在电极-电解质界面积累而形成,是活性碳、碳纤维、碳毡等碳材料超级电容器能量存储的主要机制。双电层效应主要是由于电极表面电子增加或者减少,引起界面侧电解质溶液中正负电荷移动,用以平衡电极表面电子变化带来的电荷不平衡而形成。考虑到电极表面电荷密度,取决于外加电压,双电层电容中物理反应主要发生在电极表面,且通常是阴阳离子的吸附与脱附行为。

        由于形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应。紧密的双电层近似于传统电容器中的电介质层,但其厚度只有一个分子,因而具有比普通电容器大得多的容量。因此传统板式电容器的计算公式也可用来计算其电容:C=εS/d。介电常数ε越高、电极板表面积S越大、板间距d越小,电容C也越大。因此,双层电容器的电容远高于传统电容器,这是因为活性炭电极的表面积极大,而双电层距离极小,只有几埃(0.3-0.8 nm)。

        双电层电容器没有传统的电介质,而是使用绝缘体隔开。这个绝缘层可以让电解液中的正负离子通过,该电解液本身不能传导电子,所以当充电结束后,电容器内部不会发生漏电(电子不会从一极流向另外一极)。当放电的时候,电极上的电子通过外部电路从一极流向另外一极。结果是电极与电解液中的离子吸附显著降低。从而使电解液中的离子吸附显著降低。从而使电解液中的正负离子重新均匀分布开来。

        双电层电容器具有远高于电池的功率密度,因此,虽然现有的双电层电容器的能量密度是传统电池的1/10,但其功率密度是后者的10至100倍。它们适用于介于电化学电池(持续的能量释放),静电电容器(瞬间能量释放)之间的应用。

        电化学电容器中,每单位电压能储存的电荷量基本上是电极尺寸的函数,双电层中的静电储能与储存的电荷呈线性关系,并与吸附离子的浓度相对应。由于在电极或电解质内没有发生任何化学变化,理论上双电层的充电和放电量是无限的,真正的超级电容器的寿命只受电解质的蒸发所限。

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4.超级电容主要参数

1)额定电压

        和普通电解电容一样,超级电容也有额定电压,使用时需要在额定电压范围内使用。

2)精度

        和普通电解电容一样,超级电容的精度一般为一个范围,根据实际使用需求可要求容值正偏或在某个范围内,一般都在-10~30%这个范围内。

3)工作温度

        电容的工作温度不宜过高,过高的温度对电容的使用寿命影响较大,一般为-45~65℃,由于工业类产品一般要求双85,在该类产品上一般有双85 1000h的要求。

4)ESR

        超级电容也有等效的串联电阻,一般来说ESR越小越好。

以下为某超级电容的主要参数指标:

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4.超级电容使用注意事项
a)环境温度的升高或是降低都会使超级电容器的电容量、内阻、漏电流等性能变化,所以如果在低温或高温环境中工作,需要适当增加超级电容器的容量。
b)超级电容器上方空间应至少留2mm以上,保证防爆阀的正常开启。
c)超级电容器不应和周边的发热元件直接接触,必须留有c)有散热空间。
d)超级电容器对应印刷电路板位置不宜放置其他器件或布线。
e)在使用前,应确认超级电容器的极性。
f)超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中,高频率的快速充放电会导致超级电容器内部发热,电容量衰减,内阻增加,在某些情况下会导致超级电容器性能失效。
g)超级电容器在标称电压下使用。

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